物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種用光塑造材料原子結(jié)構(gòu)的新方法

2022-03-14 09:57:44來源：cnBeta.COM 關(guān)鍵詞：熱電材料熱電發(fā)電機綠色能源閱讀量：24274

導(dǎo)讀：現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如何利用強烈的激光脈沖改變一種高效的熱電材料--硒化錫的原子結(jié)構(gòu)。

　　熱電材料將熱量轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然，其原子結(jié)構(gòu)跟它們的性能如何密切相關(guān)。現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如何利用強烈的激光脈沖改變一種高效的熱電材料--硒化錫的原子結(jié)構(gòu)。這項成果開辟了一條新的途徑進而通過控制其結(jié)構(gòu)來改善熱電材料和一系列其他材料，并創(chuàng)造出具有戲劇性的新特性的材料，這些特性可能在自然界中不存在。

　　在美能源部SLAC國家加速器實驗室進行的實驗中發(fā)揮了重要作用的斯坦福大學(xué)研究生Yijing Huang說道：“對于這類材料來說，這是非常重要的，因為它們的功能特性跟它們的結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過改變你投入的光的性質(zhì)，你可以定制你創(chuàng)造的材料的性質(zhì)。”

　　實驗是在SLAC的X射線自由電子激光器，即直線極速器相干光源(LCLS)進行的。這些結(jié)果于2022年2月14日發(fā)表在《Physical Review X》上報道并將在一個專門討論超快科學(xué)的特刊中重點介紹。

　　熱 vs. 光

　　由于熱電技術(shù)將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，因此被認為是一種綠色能源。熱電發(fā)電機為阿波羅登月項目提供了電力，研究人員一直在研究如何利用它們將人體的熱量轉(zhuǎn)化為電力從而為小工具充電及其他一些事情。反向運行時，它們會產(chǎn)生一個熱梯度，進而可用于在沒有移動部件的冰箱中冷藏葡萄酒。

　　硒化錫被認為是最有前途的熱電材料之一，它以單個晶體的形式生長，相對便宜且易于制造。Huang稱，跟許多其他熱電材料不同，硒化錫是無鉛的且它是一種更有效的熱轉(zhuǎn)換器。由于它由規(guī)則的立方體晶體組成，類似于巖鹽的晶體，它也相對容易制造和修補。

　　為了探索這些晶體對光的反應(yīng)，研究小組用近紅外激光的強脈沖照射硒化錫以改變其結(jié)構(gòu)。光線激發(fā)了樣品原子中的電子并移動了其中一些原子的位置、扭曲了它們的排列。

　　然后研究人員用來自LCLS的X射線激光脈沖跟蹤并測量了這些原子運動以及由此產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)的變化，其速度則快到足以捕捉到發(fā)生在百萬分之一秒內(nèi)的變化。

　　這項研究的報告共同作者、SLAC和斯坦福大學(xué)的教授、斯坦福PULSE研究所所長David Reis表示：“你需要LCLS提供的超快脈沖和原子分辨率來重建原子的移動位置。如果沒有這一點，我們就會把故事弄錯。”

　　一個驚人的結(jié)果

　　這個結(jié)果是相當(dāng)出乎意料的，當(dāng)Huang告訴團隊其他成員她在實驗中看到的情況時他們很難相信她。

　　改變硒化錫原子結(jié)構(gòu)的一個屢試不爽的方法是施加熱量，它以一種可預(yù)測的方式改變材料，實質(zhì)上是讓這種特殊材料的性能更好。傳統(tǒng)的看法是，應(yīng)用激光會產(chǎn)生跟加熱基本相同的結(jié)果。

　　“這就是我們最初認為會發(fā)生的事情，”SLAC的工作人員科學(xué)家Mariano Trigo說道，“但經(jīng)過近兩年的討論，Yijing終于說服了團隊的其他成員，不，我們正在推動材料走向一個完全不同的結(jié)構(gòu)。我認為這個結(jié)果違背了大多數(shù)人的直覺，即當(dāng)你把電子激發(fā)到更高的能級時會發(fā)生什么。”他是SLAC的斯坦福材料和能源科學(xué)研究所(SIMES)的調(diào)查員。

　　杜克大學(xué)的研究生Shan Yang的理論計算證實，對實驗數(shù)據(jù)的這種解釋是正確的。“這種材料和它的類別當(dāng)然非常有趣，因為它是一個小的變化可能導(dǎo)致非常不同結(jié)果的系統(tǒng)。但用光制作全新結(jié)構(gòu)的能力--我們不知道如何用任何其他方式制作的結(jié)構(gòu)--大概比這更普遍。”

　　另外，Yang還補充稱，它可能有用的一個領(lǐng)域是幾十年來對制造超導(dǎo)體--無損耗地導(dǎo)電的材料--在接近室溫下工作的探索。

　　原標題：物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種用光塑造材料原子結(jié)構(gòu)的新方法

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